BIM技術(shù)在公路、橋梁正向設(shè)計中的應(yīng)用分析

趙斌斌，張遵聰

(蘇交科華東(浙江)工程設(shè)計有限公司 杭州市 311100)

0 引言

BIM即建筑信息模型，英文全稱Building Information Modeling，是通過整合分析建筑工程信息數(shù)據(jù)組給出準(zhǔn)確的數(shù)字信息模型。簡單地說BIM是涵蓋了整個建筑生命周期的一個數(shù)字化信息模型，可反映出工程整個生命周期的真實狀態(tài)。BIM技術(shù)的核心是通過分析建筑工程信息數(shù)據(jù)組，將工程問題中的實體建筑模擬成一個具有多維度結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫的工程數(shù)字模型。依托項目“國道丹東至阿勒泰公路綏芬河(永勝)至綏陽(大東滿)段改擴建工程”，進行實景模型的建立及設(shè)計中各階段的正向應(yīng)用的研究。該項目的工程數(shù)字模型在三維空間下實現(xiàn)靈活地創(chuàng)建、計算、分析等一系列研究，從而提高實施項目各條路線的精細(xì)化程度。BIM技術(shù)的應(yīng)用可以系統(tǒng)嚴(yán)密地通過對建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合，在項目設(shè)計、施工和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，因此，BIM技術(shù)在公路正向設(shè)計中受到越來越多的關(guān)注。

1 BIM技術(shù)在公路正向設(shè)計中的優(yōu)勢

1.1 BIM技術(shù)在道路設(shè)計中的優(yōu)勢

1.1.1BIM技術(shù)在立項階段的優(yōu)勢

公路工程的立項準(zhǔn)備階段需要對該工程進行有效可靠的可行性分析，并編寫工程可行性研究報告，主要針對路線起訖點、工程規(guī)模、工程目標(biāo)、主要經(jīng)濟等多方面分析論證工程項目的可行性。目前工程可行性研究階段相較于其他設(shè)計階段較少引入BIM技術(shù)，諸多常見文獻在此階段均未提出相關(guān)BIM的應(yīng)用，但相比于傳統(tǒng)設(shè)計而言，在此階段BIM的一些應(yīng)用還是有較大優(yōu)勢[1]。

BIM技術(shù)在方案比較與決策方面的應(yīng)用。在傳統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，設(shè)計人員會根據(jù)技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟指標(biāo)、運營效益、施工條件的難易程度等方面，經(jīng)過設(shè)計人員及專家的論證，推選出一條推薦線和多條比較線。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，隨著BIM+GIS的深入融合以及無人機的飛速發(fā)展,如今設(shè)計人員可快速獲取三維實景模型。專家及設(shè)計人員在實景模型中可以通過上帝視角俯覽整個設(shè)計區(qū)域，從而更加立體地反映公路工程的設(shè)計。

BIM技術(shù)在初步成本估算方面的應(yīng)用。設(shè)計過程中可產(chǎn)生很多類型的成本估算，包括從設(shè)計階段早期的成本概算到設(shè)計完成后更精確的成本預(yù)算。事實證明，等到設(shè)計階段結(jié)尾才形成一份成本預(yù)算并不是一種理想的方式。如果我們在設(shè)計完成后發(fā)現(xiàn)項目預(yù)算超支，就只能運用價值工程削減開支和降低質(zhì)量，嚴(yán)重的甚至?xí)∠椖俊ＴO(shè)計過程中的期間成本估算越早發(fā)現(xiàn)問題，對于工程的順利進行越有利，以便于決策者們能夠提前考慮備選方案。BIM技術(shù)的應(yīng)用極大地促進了這種期間成本估算的發(fā)展。OpenRoads ConceptStation可以通過道路設(shè)計功能實現(xiàn)智能模型的快速創(chuàng)建，利用現(xiàn)實數(shù)據(jù)和成本分析結(jié)合項目前期獲得的實景模型，可快速形成初步的成本估算報表，項目負(fù)責(zé)人可以對項目進行整體的把控。

1.1.2BIM技術(shù)在初步設(shè)計及施工圖設(shè)計階段的優(yōu)勢

目前公路設(shè)計主要分為初步設(shè)計和施工圖設(shè)計兩個階段。這兩個階段的深度以及側(cè)重點會呈現(xiàn)出很大的不同，其主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

(1)施工圖設(shè)計階段更加注重深度，主要表現(xiàn)為在可操作性和具體化方面更加細(xì)致。

(2)初步設(shè)計不僅作為施工圖設(shè)計編制的基本佐證輔助前提，與此同時，初步設(shè)計對于審查時出現(xiàn)的一系列問題以及在此過程中所遺留的問題，均應(yīng)該在施工圖設(shè)計中對此進行必要的糾正、補充和細(xì)化完善。

(3)從預(yù)算層面來看，初步設(shè)計階段編制的是在投資過程中所需要的概算，而施工圖設(shè)計階段編制的是以施工圖為基準(zhǔn)進行的具體施工工程預(yù)算。

總而言之施工圖設(shè)計就是對初步設(shè)計的進一步具體完善和深化。

路線設(shè)計作為整個道路設(shè)計中最開始也是最重要的步驟，其核心就是對路線平、縱、橫的設(shè)計，此階段需要設(shè)計組在符合《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、《公路路線設(shè)計規(guī)范》等規(guī)范的前提下，還要考慮自然環(huán)境、設(shè)計經(jīng)濟條件、周邊經(jīng)濟需求等多方面因素，選線必須由粗到細(xì)，由輪廓到具體，逐步深入，才能定出較為合理的路線，而想要做到上述這些條件，就需要測量、設(shè)計人員不斷地到現(xiàn)場進行實地勘測[2]。整個路線設(shè)計的過程既耗時、耗力，花銷還比較大。

OpenRoads Designer 是BIM技術(shù)在道路設(shè)計板塊研發(fā)出的一款功能完善、全面詳細(xì)的軟件，適用于勘測、排水以及道路設(shè)計。該軟件不僅可以完美地取代傳統(tǒng)設(shè)計中所使用的InRoads、GEOPAK、MX 和 PowerCivil 提供的所有在線功能，還獨特地嵌入了全新的綜合建模環(huán)境，從而為工程設(shè)計提供了高效的施工驅(qū)動，顯著地提升了路網(wǎng)項目的交付進程，進而從概念的提出到竣工的整個設(shè)計和施工過程都一步到位。

用OpenRoads Designer進行道路設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計流程類似。與傳統(tǒng)設(shè)計相比ORD的選線過程由于所構(gòu)建的地形模型是三維立體的，因此在路線選線和定線時能夠更加清晰直觀地參考原始地形特征，二三維視圖聯(lián)動修改，科學(xué)合理地確定路線走向，綜合分析填方和挖方工程數(shù)量，更好地避開不良地質(zhì)。橫斷面設(shè)計主要采用“搭積木”方法定制出適合項目的橫斷面模板。利用橫斷面模板可以將排水邊溝、邊坡、擋墻等以構(gòu)件的形式在創(chuàng)建廊道時在地形模型中同步出來，比之傳統(tǒng)設(shè)計只局限在“圖表”設(shè)計，以基平測量，斷面法計算的工程量更加準(zhǔn)確，在有效統(tǒng)計工程量的前提下，合理地設(shè)置參數(shù)節(jié)點，以此來確保道路橫斷面設(shè)計的科學(xué)合理性和實用可靠性。

至今國內(nèi)還沒有較為有效的與業(yè)主進行三維模型的交付方式，但隨著CNCCBIM OpenRoads的出現(xiàn)，設(shè)計院可以實現(xiàn)將三維模型轉(zhuǎn)化為二維的圖紙、工程量表，以大家都熟悉的方式交付給業(yè)主，不同的是出圖流程更加簡便、工程圖紙更加專業(yè)[3]。

1.2 BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計中的優(yōu)勢

1.2.1BIM技術(shù)在橋梁方案比選中的優(yōu)勢

在橋梁設(shè)計工程中，裝配式橋梁作為常規(guī)橋梁的主要分支，繼而在橋梁設(shè)計階段需集中投入較大的工作量在常規(guī)橋梁的實施方案擬定中。傳統(tǒng)公路橋梁方案設(shè)計通常情況是結(jié)合現(xiàn)場情況、水文情況、通航情況、地方經(jīng)濟情況、交通流量、地質(zhì)情況等諸多因素，確定橋梁位置及控高[4]。約束路線在該節(jié)點區(qū)域的路線技術(shù)指標(biāo)，最終確定該節(jié)點處的平曲線與豎曲線。但由于傳統(tǒng)設(shè)計中的方案設(shè)計一般來說都會使用1∶2000地形圖來示意項目區(qū)域的河流、植被、構(gòu)造圖等信息。該方式存在設(shè)計意圖表達不清晰、被跨越物體與橋梁構(gòu)造物的位置關(guān)系不精確、不直觀等問題。

在BIM中同樣存在一款橋梁設(shè)計軟件OpenBridge Modeler，直接利用從OpenRoads Designer中獲得土木工程數(shù)據(jù)，將獲得的LandXML文件導(dǎo)入道路信息和地面數(shù)據(jù)即可。通過運用多專業(yè)的創(chuàng)新可視化流程快速生成制定工程設(shè)計決策所需的信息，加速橋梁設(shè)計，同時利用工可研階段獲得的實景模型，將其與BIM方案模型相結(jié)合，從專業(yè)的角度剖析和評價橋梁方案，能夠更加清晰地驗證上下結(jié)構(gòu)選型、孔徑布置、通航情況的合理有效性。

1.2.2BIM技術(shù)在鋼箱梁細(xì)節(jié)設(shè)計中的優(yōu)勢

隨著我國路網(wǎng)逐步完善，如何減少新建道路對既有道路的影響，快速建立跨線、互通橋梁成了一個相對棘手的問題。預(yù)制鋼箱梁有著自重輕便于吊裝、施工速度快、線型靈活等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于公路、城市道路的跨線橋或互通橋梁上。然而由于鋼箱梁內(nèi)部包含頂板、底板、腹板、橫隔板、加勁肋等多種尺寸不一、功能不同的構(gòu)件組成，其內(nèi)部構(gòu)造縱橫交錯[5]。在常規(guī)二維圖紙中，通常設(shè)計人員為了將設(shè)計意圖及構(gòu)造情況表達清楚圖紙內(nèi)容會較為繁瑣、復(fù)雜，致使人為因素導(dǎo)致圖紙不同程度的錯誤，也是常見之事。

橋梁設(shè)計階段BIM可利用ProStructure軟件進行鋼箱梁的精細(xì)化設(shè)計，通過將結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維設(shè)計在BIM技術(shù)設(shè)計階段相結(jié)合的方式，從而展示出鋼箱梁各構(gòu)件的位置關(guān)系的三維模型。基于三維模型進行模擬預(yù)拼裝嘗試性連接，針對設(shè)計階段出現(xiàn)的不合理因素給予指出發(fā)現(xiàn)并加以更改，以便于生成三維信息模型供施工單位進行后續(xù)的加工拼裝。工廠可將設(shè)計數(shù)據(jù)對接到數(shù)控加工機床，這樣就實現(xiàn)了大幅度地提高設(shè)計質(zhì)量、縮短設(shè)計與施工之間的協(xié)調(diào)溝通工作周期，進而有效縮短整個施工工期的時長，很大程度上提高了工程質(zhì)量。

1.2.3BIM技術(shù)在橋梁可視化技術(shù)交底中的優(yōu)勢

BIM技術(shù)模擬關(guān)鍵施工工序的優(yōu)勢在于設(shè)計者可以直觀地將自己意圖通過三維的方式表達出來，同時可以將施工過程中需要重點注意的地方做出特別提示。設(shè)計院通過將二維的施工組織設(shè)計和施工作業(yè)指導(dǎo)書的關(guān)鍵步驟制作成施工動畫的方式，提高與施工單位的溝通效率，從而提升工程品質(zhì)。同時，可以制作關(guān)于關(guān)鍵的施工工法與成套的施工工藝的技術(shù)交底庫，方便后續(xù)的類似項目直接調(diào)出以供指導(dǎo)與參考。為了更方便地展示三維設(shè)計流程，圖1為貫穿道路橋梁設(shè)計的三維設(shè)計流程圖。

圖1 基于BIM的道路三維設(shè)計流程

2 BIM技術(shù)在公路橋梁設(shè)計應(yīng)用中存在的不足

(1)成果交付相對困難。目前各大院所較為流行的交付方式為采用云端交付方式，但該方式其信息安全、模型體量、交付速度、法律地位等均存在一定的問題。另一種交付方式則是采用三維轉(zhuǎn)二維方式來解決，BIM與傳統(tǒng)設(shè)計問題的轉(zhuǎn)換，雖然該方式暫時可以解決BIM正向應(yīng)用的一部分不足，然而由于目前所應(yīng)用的大部分BIM建模軟件均采用國外軟件，由于國情的不同，其圖紙轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換后的圖紙樣式均存在非常大的差異性，導(dǎo)致目前BIM技術(shù)的出圖率非常的低。

(2)缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。目前在公路行業(yè)中，由于BIM技術(shù)處于一個起步期，雖然各企業(yè)均相繼出臺自己內(nèi)部的BIM標(biāo)準(zhǔn)。然而缺乏一個行業(yè)層面的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致其模型編制、模型等級劃分、構(gòu)建編碼、模型交換等跨單位、跨行業(yè)進行模型交付時均存在協(xié)調(diào)、統(tǒng)一難的問題。

(3)對BIM從業(yè)人員有更高的專業(yè)要求。由于設(shè)計、施工、運營管理等全生命周期的工程建設(shè)活動中都涉及BIM技術(shù)，在設(shè)計期的BIM應(yīng)用就需要向其它階段進行模型信息傳遞。因此要求從業(yè)人員了解并掌握項目各個階段的相應(yīng)知識以及BIM相關(guān)軟件的應(yīng)用。此外，還需要引進一些優(yōu)秀的開發(fā)人員對一些需要完善的功能進行二次開發(fā)。

3 結(jié)語

隨著近幾年BIM技術(shù)的快速發(fā)展以及在公路橋梁設(shè)計中應(yīng)用的深入分析不難發(fā)現(xiàn)，該項技術(shù)已滲透甚至應(yīng)用在公路橋梁設(shè)計的各個階段。盡管在結(jié)合過程中會不可避免地遇到一些實踐難題和復(fù)雜的環(huán)境阻礙，但從目前的發(fā)展趨勢以及相關(guān)成果來看，BIM技術(shù)必將在公路橋梁設(shè)計中成為一把鋒刃有力的工具。其優(yōu)勢體現(xiàn)于可以深入到設(shè)計階段的各部分實踐中，起到輔助作用攻克工程中所遇到的復(fù)雜問題，并能輕松靈活地將二維設(shè)計成果無法詳細(xì)表達的內(nèi)容通過自身三維的優(yōu)勢清晰直觀地準(zhǔn)確展示。經(jīng)過一系列深入的調(diào)查研究和實踐探索，BIM技術(shù)定會以更加成熟的實施體系應(yīng)用于公路橋梁建設(shè)的各個階段，成為未來建筑行業(yè)實用性最強、有效性最高的一項高端龍頭技術(shù)。